[論文レビュー] Towards a theory of extremely intermittent pulsars I: Does something orbits PSR B1931 + 24 ?

F. Mottez, J. Heyvaerts+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、PSR B1931+24の極端な間欠的電波放射を説明するため、同伴天体が軌道を回っている可能性を調査している。特に、35日または70日周期の軌道を回る惑星または小天体が生成するアルヴェン翼（Alfvén wings）が、パルサーの放射を変調している可能性を提案している。しかし、著者らはそのような軌道モデルが観測された回転減速率の差（˙Pon > ˙Poff）を定量的に再現できないことを見いだし、35/70日周期の軌道は排除された。代わりに、一般相対性理論的効果によって引き起こされる70日周期の近日点の歳差が、準周期的であることを説明できる可能性があり、これは単一の巨大な同伴ではなく、近接した小惑星の群れである可能性を示唆している。

ABSTRACT

We investigate whether one or many companions are orbiting the extremely intermittent pulsar PSR B1931+24. We constrained our analysis on previous observations of eight fundamental properties of PSR B1931+24. The most puzzling properties are the intermittent nature of the pulsar's activity, with active and quiet phases that alternate quasi-periodically; the variation of the slowing-down rate of its period between active and quiet phases; and because there are no timing residuals, it is highly unlikely that the pulsar has a massive companion. Here, we examine the effects that one putative companion immersed in the magnetospheric plasma or the wind of the pulsar might have, as well as the associated electric current distribution. We analysed several possibilities for the distance and orbit of this hypothetical companion and the nature of its interaction with the neutron star. We show that if the quasi-periodic behaviour of PSR B1931+24 was caused by a companion orbiting the star with a period of 35 or 70 days, the radio emissions, usually considered to be those of the pulsar would in that specific case be emitted in the companion's environment. We analysed four possible configurations and conclude that none of them would explain the whole set of peculiar properties of PSR 1931+24. We furthermore considered a period 70 days for the precession of the periastron associated to an orbit very close to the neutron star. This hypothesis is analysed in a companion paper.

研究の動機と目的

• PSR B1931+24の極端な間欠的挙動を惑星または小天体の同伴が説明できるかどうかを特定すること。
• 特にアルヴェン翼力のような電磁的相互作用が、活性期間と静止期間における回転減速率の差を説明できるかどうかを評価すること。
• 潮汐破壊や歳差を含む軌道力学が、パルサーで観測された準周期的なオン/オフ切り替えを維持できるかどうかを評価すること。
• 同伴ベースのモデルが、PSR B1931+24の8つの観測的特徴（P1–P8）—特にタイミング残留項の欠如と急激なオン/オフ遷移—と整合するかどうかを検証すること。

提案手法

• 仮説的な同伴がパルサーの磁気圏プラズマや風と相互作用するメカニズムを、アルヴェン翼理論と電磁力方程式を用いてモデル化する。
• アルヴェン翼力方程式（式17）を適用し、同伴周囲の電流を運ぶプラズマ構造が引き起こす軌道的摂動を推定する。
• ケプラーの第三法則と対数微分を用いて、電磁力による半長径の変化から理論的軌道周期微分（˙Porb,theory）を導出する。
• 理論的 ˙Porb,theory を、回転減速率の差（˙Pon − ˙Poff）から得られる観測的 ˙Porb,observed と比較し、整合性を検証する。
• 4つの軌道配置（円形赤道軌道、円形傾斜軌道、楕円軌道、地球型惑星）を、さまざまな天体サイズ（惑星、小天体、小惑星）で検討する。
• 近日点の歳差周期が35日周期の準周期性を表している可能性を検討し、一般相対性理論的歳差式（式23–24）を用いて解析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 35日または70日周期の軌道を回る同伴天体が、PSR B1931+24の準周期的オン/オフ挙動を説明できるか？
• RQ2 同伴が生成するアルヴェン翼力が、観測された回転減速率差と一致する程度の顕著な軌道周期の変化を引き起こすか？
• RQ3 観測された回転減速率差（˙Pon > ˙Poff）が、アルヴェン翼からの電磁力によって駆動される軌道進化によって定量的に説明可能か？
• RQ4 35日周期の変動が、一般相対性理論的効果によって引き起こされる非常に近接した軌道の近日点歳差周期である可能性はあり得るか？
• RQ5 タイミング残留項の欠如と急激なオン/オフ遷移という特徴から、仮説的な同伴の質量、サイズ、軌道配置にどのような制約が課されるか？

主な発見

• アルヴェン翼力モデルでは、あらゆる現実的な同伴のサイズや質量に対しても、観測された回転減速率差（˙Pon − ˙Poff）を再現できる十分な軌道周期微分（˙Porb,theory）が得られない。
• 35日周期の軌道の場合、理論的軌道周期微分は観測値の10^8倍以上も小さいため、同伴の35日または70日周期の軌道は排除される。
• 100km幅の天体を仮定したモデルでは、˙Porb,theory = 6.7 × 10^−8 が得られるが、必要な値（5 × 10^−2）とは著しく低く、電磁力が回転減速率差を説明するには弱すぎる。
• 35/70日周期の軌道仮説は、周期性やタイミング残留項の欠如といった他の特徴を満たしても、観測された ˙Pon > ˙Poff を再現できないため、否定される。
• 一般相対性理論的効果によって引き起こされる70日周期の近日点歳差が、代替的かつ妥当な説明として提示され、同伴は中性子星に非常に近接している必要がある（光速円筒内に位置する可能性も含む）。
• 歳差モデルは、そのような近接距離では潮汐破壊が発生するため、単一の巨大惑星ではなく、小惑星のような小天体の群れである必要があると示唆している。